浅谈堤防工程防渗加固方案.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（下）-91-工 程 技 术水利枢纽工程中的拦河坝、围堰等建筑是由土质、石质等透水性物质构筑形成，水分能从这些物质的孔隙中穿过。对水库来说，水利工程渗漏不仅会导致水量损失，而且渗流速度较快还会使土颗粒散失，从而导致大坝失稳1。如果水工结构基础材料具有透水性，例如土质基础、砂砾石基础、岩石基础等，那么土体经基础渗透后，底部会因渗透水的动水压而产生扬力，从而对土体的稳定性造成不利影响。因此必须要掌握渗流的运动规律，采取有效的措施，对水利枢纽工程进行防渗处理。为全面落实此项工作，发挥水利工程在市场内更高的经济效益，本文针对此类工程项目的防渗施工方案比选方法进行设计。1 项目实例1.1 工程概况本次以汕头市中港河某水利工程为例，中港河属于工程中的主要支流，集雨面积为 48.5km2，主河长为 17km，坡降为 0.2。中港河水利工程整治范围为崎沟闸至中港河潮南潮阳区界处，在防渗施工前须进行勘测设计2。初步设计阶段工程测量内容及成果为GPS控制点E级50个，水准测量32km，1 1000 河道平面带状图 3.55km2，河道横断面图 60km，河道纵剖面图 20km，涵闸大样图 0.40km2，在施工图阶段根据需要进行补充测量。本次地质勘察工作（包括现场工作及室内工作）均按照市场发行文件的最新标准执行，初步设计阶段地质勘察的主要工作见表 1。通过现场勘查，对水利工程现场反馈的现状照片进行汇总。1.2 水文条件与工程地质在对该地区水文条件进行调研中，应明确此地区属于亚热海海洋气候，根据秋风岭水库 42 年实测降雨统计，分析地区降雨情况3。见表 2。根据施工组织设计，水下部分施工安排在 10 月次年3 月，施工洪水分期为 10 月次年 3 月，施工洪水设计频率为 20%。在深入现场调查后发现，中港河水源为秋风水库发电尾水及区间汇水，两岸印染化工污染企业较多，村庄密集，垃圾堆砌较多，水质污染严重，水体发黑，水浮莲和垃圾堵塞河道。表 1 初步设计阶段地质勘察的主要工作项目描述本阶段完成工作量区域地质测绘（k）比例为11000026.5比例为120007.9钻孔（m/孔）水上钻孔195.7m，9孔岸上钻孔1900.45m，83孔取样土样135砂样58水样4现场试验标贯（次）449注水试验（段/孔）69室内试验土工三轴试验（组）18水电常规土工试验（组）117砂样简分析（组）58水质腐蚀性测定（组）4工程测量（钻孔放样、复测）（点）92本工程场地建筑物主要置于第四系松散堆积层上，从区域地质构造来看，断裂构造通过工程场地时，表现为基底隐伏构造，经过现场的钻探调研，分析基础结构，发现基础地质构造整体较为简单且在钻探后未发现现场存在断层，经过专家与技术人员的现场评估，现有的地质条件对工程项目防渗施工的综合影响较小。1.3 工程建设内容与堤防渗透稳定计算根据工程项目的具体情况，明确此次工程整治的内容为清障及两岸堤防达标加固，拆除重建 1 座节制闸（上东闸）。穿堤涵闸：拆除重建 10 座，加固 8 座，新建 9 座。工程范围权属两英镇、峡山街道和胪岗镇，建议工程管理单位加强管理，经常清除堤坡上的灌木、杂草，以免影响工程。根据相关文件，把中港河以南、秋风水库以北部分和中港河以北胪岗镇区域划分为成田涝区4。成田涝区位于练江流域下游，靠近海门湾，涝区外的练江水位主要受潮汐影响。成田涝区的涝水可以充分利用外江潮汐水位变化和涝区内的调蓄面积，当外江潮位高于中港河水位时关闭水闸，利用涝区内的涌容进行调蓄，当外江潮位低于中港河水位时，打开陈厝寮水闸和半港水闸自排。中港河水位高于各穿堤涵排水沟水位时，各穿堤涵闸关闭以防洪水倒灌，涝区内利用涌容调浅谈堤防工程防渗加固方案郭建国（江门市科禹水利规划设计咨询有限公司，广东 江门 529030）摘 要：为提高水利枢纽工程防渗性能，本文对防渗方案进行比选研究。以汕头市中港河某水利工程为例，明确工程概况、水文条件、工程地质以及工程建设内容，对水利枢纽工程土坝渗透稳定性进行计算，并对水泥土防渗墙、充填灌浆、振动沉模混凝土防渗墙、劈裂灌浆4种防渗方案进行详细分析，最终将水泥土防渗墙作为推荐防渗方案。结果表明，利用该方案对水利枢纽工程项目进行防渗处理，可以有效提高工程整体防渗性能，延长水利建筑的使用寿命。关键词：水利枢纽工程；防渗性能；水泥土防渗墙中图分类号：TV543文献标志码：A表 2 地区降雨情况的分析年最大降雨量年最小降雨量多年平均降雨量枯水期枯水期降雨占全面总降雨比例多年平均径流深3066.7mm1136.5mm1946.4mm10月次年3月8%22%1000mm中国新技术新产品2024 NO.3（下）-92-工 程 技 术蓄，有泵站的涝片可启动水泵进行强排5。中港河水位低于各穿堤涵闸所在排水沟水位时，打开闸门进行自排。在上述内容的基础上，为确保工程顺利实施，满足工程项目施工中的防渗需求，应明确施工过程中，堤防内部（包括堤基）的渗流作用。如图 1 所示。明确堤防内部的渗流作用的基础上，对土粒在渗透条件下的分散作用力进行分析，如图 2 所示6。以此为依据，计算水利枢纽工程土坝渗透稳定系数，过程如公式（1）所示。Q=Ah/L （1）式中：Q 为水利枢纽工程土坝渗透稳定系数；A 为平均渗透流速；h 为坝基中土粒在渗透条件下的分散作用力；L 为水利坡度。2 水利枢纽工程防渗方案比选与推荐方案2.1 方案比选结合上述渗透稳定计算公式，计算本工程左堤 2900m及右堤 1450m，总长 4350m，计算最大比降大于相应土层的允许比降，堤防渗透稳定不达标，有发生管涌或流土等渗透破坏的风险。针对渗透比降过大的堤段，拟进行防渗加固处理。防渗墙是在松散堤身及透水堤基中形成一道防渗墙，截断透水层，确保大堤渗透稳定，保障堤围安全。本次进行比选的防渗处理方案包括充填灌浆、振动沉模混凝土防渗墙、劈裂灌浆、水泥土防渗墙等。2.1.1 水泥土防渗墙多头搅拌水泥土搅拌桩连续墙是一项已经较为成熟的施工技术，造墙深度可达 1520m，厚度 3070cm，有良好的防渗能力。特别是在砂层中，水泥土的强度、完整性更高。多头搅拌水泥土连续墙工序简单、施工速度快、造价低廉、以及对周边环境友好无污染。本工程推荐采用水泥土搅拌桩防渗墙方案进行堤防防渗处理，从现状堤顶打入单排水泥土搅拌桩防渗墙7。计算水泥土搅拌桩防渗墙最小墙厚如公式（2）所示。=H/J （2）式中：为水泥土搅拌桩防渗墙最小墙体厚度；H 为防渗水头差，根据本工程实际情况，堤围两侧水位差均不超过10m；J 为防渗体渗透允许比降。根据相关工程经验，水泥土搅拌桩防渗墙的允许比降为 50。经计算，=0.2m，即水泥土搅拌桩防渗墙最小墙厚 0.2m。桩底高程须至少穿过强透水砂层底界线 1m，桩顶高程须高于强透水砂层顶界线 1m，上部相对不透水层可采用空桩连接，并夯实土体。2.1.2 充填灌浆充填注浆是通过注浆的压力来填充大坝中存在的裂缝和空洞，从而达到加固大坝的目的。在注浆压力的影响下，泥浆会克服各种阻力，渗透到孔、裂缝中，随着压力的增加，泥浆的吸浆量和扩散的距离也会增加，因此，填充注浆也被称为渗透注浆。此类注浆是在不破坏土体结构的情况下进行的，要求其粒度比土体的孔隙度小，即需要满足土体的可灌性，因此材料选择非常关键。充填灌浆浆液材料主要有水泥浆、黏土浆、水泥黏土浆、水泥砂浆、水玻璃类浆液、水泥-水玻璃浆液等。水泥浆充填灌浆施工简单，但是浆液凝结时间较长，粉细砂地基的防渗加固可灌性差。黏土浆充填灌浆取材方便，成本低，但防渗效果较差。水泥黏土浆充填灌浆综合了水泥浆和黏土浆，具备两者的优点，使用最广泛。水泥砂浆充填灌浆通常用于大的空洞或缺口，可灌性较差且施工质量不容易控制。水玻璃充填灌浆浆液黏度与水接近，可灌性最好，但造价较高，不适图 1 堤防内部的渗流作用图 2 坝基中土粒在渗透条件下的分散作用力中国新技术新产品2024 NO.3（下）-93-工 程 技 术合大范围使用。水泥-水玻璃充填灌浆克服了水泥浆液凝结时间过长的问题，但成本相应增加。本次比选方案初拟“梅花”形布置两排充填灌浆孔，单排孔距 3m，终孔孔距 1.5m，排距 1.5m，采用纯黏土浆，充填灌浆干料量为 1.5t/m。充填灌浆底高程穿过强透水砂层底界线至少 1m，灌浆顶高程须高于强透水砂层顶界线 1m，上部相对不透水层封孔并用黏土回填、黏夯实。2.1.3 振动沉模混凝土防渗墙在地基中，利用泥浆固壁，开凿一个槽型孔结构，通过回填防渗材料，构建一个具有防渗能力的底线连续墙。与其他类型的防渗结构相比，振动沉模混凝土防渗墙的墙体结构尺寸、材料的渗透性能能够按照实际工程以及施工现场的地层条件进行调节和控制。同时，该施工工艺适用于各种地质条件，尽管施工的难易程度不同，但以目前的施工技术水平，可以建立防渗墙。通常，混凝土防渗墙的施工需要借助大型施工机械，采用泥浆法进行加固，技术环节多，因此对工程技术、管理、施工等方面提出了更高的要求。混凝土防渗墙有良好的耐久性和防渗效果8。混凝土防渗墙的施工方法很多，最大的不同是沟槽（孔）的成缝方式，控制沟槽与孔板间的连接和沟槽（孔竖向）是施工关键。本次比选方案拟采用厚度为 0.3m 的薄型混凝土防渗墙，具体施工工艺为采用液压抓斗施工成槽，泥浆护壁，浇筑塑性混凝土防渗墙。墙底高程须穿过强透水砂层底界线1m，墙顶高程须至少高于强透水砂层顶界线 1m，上部相对不透水层可采用回填素土并夯实。2.1.4 劈裂灌浆劈裂灌浆技术是利用堤坝体的灌浆体柱的侧向压力大于原堤坝体的侧向压力（小主应力），填充密实所有与浆脉相连接的裂缝、洞穴等。根据土坝灌浆技术规范（SL 5642014），劈裂灌浆具有机理明确、施工控制合理、工艺流程简单、工期短以及见效快等优点。本次比选方案初拟布置单排劈裂灌浆孔，孔距 3m，沿堤轴线布置，采用纯黏土浆，劈裂灌浆干料量为 1.5t/m。劈裂灌浆底高程穿过强透水砂层底界线 1m，灌浆顶高程须至少高于强透水砂层顶界线 1m，上部相对不透水层封孔并用黏土回填、黏夯实。针对上述防渗方案，对其投资进行对比，见表 3 表 6。2.2 推荐方案混凝土防渗墙防渗效果好，但是施工工艺复杂，沟槽垂直精度和混凝土板墙连接处施工质量不易控制，施工进度难以得到保证且混凝土防渗墙造价较高，综合考虑本工程的工程规模及投资控制，不建议采用此方案。充填灌浆方案施工方便，但防渗效果较差，不同地质情况须采用不同的灌浆材料，施工质量不易控制且充填灌浆造价较高，不建议采用此方案。劈裂灌浆方案施工方便，但对粗砂及卵砾石坝基，不易形成连续劈裂，可灌性较差。与推荐方案相比，劈裂灌浆造价偏高，综合考虑本工程投资控制，不建议采用此方案。综合考虑施工方便、技术可靠、经济节约等因素，水泥土搅拌桩防渗墙方案具有适用范围广，工程造价低，防渗效果及耐久性较好，工艺技术成熟有利于保证施工质量，施工简单便捷可以保证施工进度等优点，无明显缺点，推荐采用水泥土搅拌桩防渗墙方案。3 结语水通过土、岩等孔隙介质时的流动现象被称为“渗流”，又称“地下水流渗透”。在水利枢纽工程的水、电、气等基础设施中，有渗漏问题较为普遍。为解决现有问题，本文对汕头市中港河某水利枢纽工程项目进行了研究，希望能够通过研究，为水利工程项目的规范化建设与科学施工提供技术支持与帮助，提高水利枢纽工程在市场内的效益。参考文献1 王大勇，教婷婷.文得根水利枢纽混凝土防渗墙骨料碱活性抑制措施 J.黑龙江水利科技，2023，51（8）：114-115，183.2 吴旭，李峡.大石峡水利枢纽工程围堰防渗施工技术研究J.电力勘测设计，2023（6）：85-88.3 侯伟建，陈秀云.考虑三维渗流演变特征的水利枢纽围堰防渗墙设计研究 J.甘肃水利水电技术，2022，58（9）：16-20.4 郑雪，王春明.水利枢纽工程基础处理技术及防渗效果分析 J.河南科技，2022，41（15）：55-58.5 吕智.某水利枢纽工程混凝土防渗墙模量变化计算分析 J.水利科技与经济，2022，28（7）：40-44.6 梁健伟.浅谈东河水利枢纽水闸防渗加固工程处理方法 J.珠江水运，2022（5）：48-51.7 谭健波.淠河某水利枢纽工程防渗墙塑性混凝土配合比设计 J.水利水电技术（中英文），2021，52（增刊2）：108-110.8 贺宁波，魏红平，向尚君.旁多水利枢纽大坝上游围堰高喷防渗墙施工过程控制分析 J.四川水利，2021，42（3）：104-107.表 3 搅拌桩防渗墙防渗方案投资实桩长度（m）实桩单价（元）实桩造价（元）空桩长度（m）空桩单价（元）空桩造价（元）投资估算（万元）5740672.541619353224328.94933112509.50表 4 比选方案（一）混凝土防渗墙投资墙体面积（m2）墙体单价（元/m2）墙体造价（元）挖槽面积（m2）挖槽单价（元/m2）挖槽造价（元）投资估算（万元）25832.5129.77335228440342107.044318208767.05表 5 比选方案（二）充填灌浆投资灌浆长度（m）灌浆单价（元/m）灌浆造价（元）钻孔长度（m）钻孔单价（元）钻孔总价（元）投资估算（万元）17222265.77457709126895193.895214672979.18表 6 比选方案（三）劈裂灌浆投资灌浆长度（m）灌浆单价（元/m）灌浆造价（元）钻孔长度（m）钻孔单价（元）钻孔总价（元）投资估算（万元）8611462.34398121013447.5193.892607336658.85